光学-第一章 光电检测应用中的基础知识课件

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1、光电检测技术随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一, ,具有越来越大的竞争力具有越来越大的竞争力. .序信息检测技术 光学检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快, 频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制光电检测技术本课程所讨论的主要内容第一章：光电检测应用中的基础知识第二章：光电检测中的常用光源第三章：结型光电器件第四章：光电导器件第五章：真空光电器件补充：光电测试技术的一些简单应用第六章：真空成像器件第七

2、章：固体成像器件第八章：红外辐射与红外探测器第9章：光导纤维与光纤传感器第一章 光电检测应用中的基础知识被测 对像光学 系统光电 转换被测对象的 信息加载光源信息 载体光电探 测器信息处理光电检测系 统组成：放大边缘检测电动机 驱动门控处理主 振激光 外径 扫描 仪原 理图例：1.1 辐射度学和光度学基本概念紫外辐射可见光辐射X光辐射红外光辐射光波：光波：波长 10 纳米1毫米（频 率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁 辐射红、橙、黄、 绿、青、蓝、 紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)1.辐射度学对各种电磁辐射进 行定量评价的一门 科学工

3、具：光接收器件结果：与光能量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射2.光度学工具：人眼对象：可见光辐射对可见辐射作用于人 眼所引起的“光”感觉 进行定量评价，是一 种生理效应结果：对人眼刺激大小的各 种物理量用下标(e)用下标(v)1.1.1 辐射度学基本物理量1. 辐射功率（辐射通量）对于辐射源说-单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：W（瓦特）对于电磁波的传播-单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收-单位时间内某一截面接收到的电磁能发射A1A2 传播A接收如果是多波长辐射 ，则有：光谱功率谱密度点光源: 在某一方向上，在单位立体角内发出 的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射

4、 特性）。2、辐辐射强度单单位 ：向空间各个方向辐射均匀的点光源：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射不均匀，则方向上的辐射强度，可表示为：d3、辐辐射亮度单单位：-表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元 dS 在方向的光亮度定义为： 此面元在方向d体积角内的的辐射通量de 除立体角的大 小d 和此面元在观测方向上的表观面积cos(dS) 。如果是多波长 辐射则：如果辐射不均匀，则方向上的辐亮度，可表示为：N4、辐辐射出射度- 光源单位时间由单位表面积辐射出的电 磁能（包括所有方向） ，或者说单位辐射面 发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位 置的辐射特性。dA1dA2单位：W/m

5、2- 受照面上单位时间单位表面积接受 的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐辐照度单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：1.1.2 光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系1. 光谱谱灵敏度K 及 视见视见 函数V相同波长（）不同产生对人 眼不同的 刺激程度人眼对光 的感受是 光波长的 函数单位时间内发 射、传播或接 收的光量K 光谱灵敏度(lm/W )(1)光谱灵敏度光通量(lm流明)定义: 视见函数明视0.55m10.380.7明视暗视0.55m 0.52 mKm= 683 （lm/W）0.380.7不同波长的光谱 灵敏度，如图所 示：C(2)视见函数（二）光度学量A1 A

6、2A1A2辐辐射通量单位时间内发射、传播 或接收的辐射能量。复色 光时-单位时间内发射、传 播或接收的光量。复色 光时1、光通量Alm(流明）W（瓦特）- 点光源在某一方向上，单单位 立体角 内发出的辐射通量。- 点光源在某一方向上，单单位 立体角内的光通量。2、发发光强度单单位：辐辐射强度单单位：（cd 坎德拉） d-面元dS在方向d体 积角内的的光通量dv 除立 体角的大小d 和此面元在 观测方向上的表观面积 cos(dS)。3、光亮度单单位：辐辐射亮度-面元dS在方向d体积 角内的的辐通量de 除立体 角的大小d 和此面元在观 测方向上的表观面积 cos(dS)。N4、光出射度- 光源单

7、位时间由单位表 面积辐射出的光量（包括所 有方向） ，或者说单位辐射 面发出的光通量。dA1dA2单位：lm/m2辐辐射出射度- 光源单位时间由单位 表面积辐射出的电磁能（包 括所有方向） ，或者说单 位辐射面发出的辐通量。单位：W/m2- 受照面上单位时间单位 表面积接受的辐射能，或单 位表面积接受的辐通量。5、辐辐照度单位：lm/m2dA1dA2- 受照面上单位时间单位 表面积接受的辐射能，或单 位表面积接受的辐通量。辐辐照度单位：W/m2(lx 勒克斯）1.1.3 其它基本概念1. 点源dAdA某面元上的照度与面元到光源 的距离的平方成反比-平方反 比定律同时也与面源的方向有关Ir对于沿

8、各方 向匀均辐射 的点源点源对面的照度-光源 S总辐射通 量为：2. 扩展源-有一定面积的辐射源朗伯源或称为余弦辐射体向空间各个方向的辐射 亮度相同，理想化的扩 展源发光强度I 与方向角满满足余 弦定律的发发光体。大部分发 光体都有此性质 dSII0余弦定律常数根据辐出度的定义根据亮度 的定义朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算-dSdAd222d3. 漫反射面-把入射光向各个方向 均匀的散射的各种表面设某一漫反射面dS所受的光照度为E，则此面接收到的光通 量为：设此反射面的反射系数为K，则它反射的光通量为：朗伯辐 射体不透明漫反 射体透明漫反射体亮度减半4. 定向辐射体-光线的发射方向比较

9、集中如：激光器太阳的辐射亮度只有3*108W/(sr.m2)1.2 半导体的基础知识1.电子的共有化运动2.能带的形成能级3s2p1.2.1 固体的能带结构允带禁带允带允带禁带3.能带的结构价 带导 带禁带物质的导电性：价 带导 带禁带价带中的空穴导带中的电子价带导带内层 能带禁带禁带内层 能带禁带满带：被电子填满的能带空带：没有电子占据的能带4.N型半导体和P型半导体价带导带禁带低 温 下低温下硅晶体中的价带中所有的能级都 被电子占据，即被填满，价带以下的能 带被内层电子填满，而导带的能级是空 的，所以不导电。价带导带禁带本征激发常 温 下被激发到共价键之外不 导 电弱 导 电 性1）本征半

10、导体2）掺5族元素时-N型半导体的能级处于共价键之外低 温 下价带导带禁带杂质能级价带导带禁带施主能级本征激发+杂质激发价带导带禁带杂质能级低 温 下常 温 下被激发至导带3）掺3族元素时-P型半导体低 温 下 B价带导带杂质能级价带导带杂质能级常 温 下B低 温 下受主能级价带导带杂质激发+本征激发1.2.2热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子价带导带禁带本征激发开始时：激发复合复 合一段时间后：激发=复合（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定） 热平衡状态设由低温到高温的过程1.2.3 半导体中的非平衡载流子非平衡载流子-通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这 些超出的载流

11、子通常称为非平衡载流子，或过剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应1）本征吸收价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须 满足：单位是m2）杂质吸收N型半导体：价带导带低温无光照时Ed价带导带低温有光照时价带导带低温无光照时Ea工作时温度要低- -防止热激发价带导带低温有光照时P型半导体：2. 非平衡载流子浓度光照射半导体时： 载流子的浓度增加停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少， 直到热平衡 复合方式有直接复合-导带中的电子直接回到价 带填充空位间接复合-通过“缺陷、错位 、杂质”等形成的复合中心复合价带导带价带导带1.2.4 载流子的扩散和漂移1.扩散 -在某

12、种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载 流子浓度高于其它地方和载流了浓度，这时载流子就从浓度高 的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散扩散形成电流的大小：2.飘移-在电场做用下电荷的移动对于空穴导电2.总电流电子空穴总电流1.3 基本定律1.3.1 黑体辐射定律黑体：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下 吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收比:模拟黑体：反射比:1. 1. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律2. 2. 普朗克辐射公式普朗克辐射公式常数光谱发射率短波区或温度 不高的情况下-吸收能力强，发射能力也强3. 3. 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律70

13、0K900K400K(m）2Me(,T)468短波区或温度不高的情况下一定温度下总 的辐射出射度4. 4. 维恩位移定律维恩位移定律Me(,T )1.1.响应率响应率电压响应率 (V/w)：电压/单色辐射通量电流/单色辐射通量电流 响应 率(A/w)：1.4.2 光电探测器的特性参数探测器的输出信号电压/探测器接 收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流/探测器 接收的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：2.2.光谱响应率光谱响应率电流光谱灵敏度：S（）1相对光谱灵敏度4 4、探测度、探测度D D与比探测度与比探测度D D* *3 3、等效噪声功率、等效噪声功率如果探测器所接收到的辐射

14、功率所引起的信号输出，正好等 于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功 率称为等效噪声功率又称为最小可探测功率。设输出信号 为电流信噪比探测率归一化等效澡声功率：比探测率 （归一化探测率）Ad：cm2f: Hz:ASI:A/WD*:cm.Hz1/2.W-1实际上比探测 率是与波长有 关的D*（500K，900Hz, 1Hz) 黑体光 源的温 度辐射能 量的振 荡频率测量 带宽 5.响应时间和频率响应惰性-光电器件输出的 电信号总是在时间上落后于作 用在其上的光信号的特性。tIs1.0t0.370.63上下响应时间频率响应探测器上限 截止频率6.6.线性线性下限：由暗电流和噪 声因素决定上限：上限由饱和效 应或过载决定1.4.3 光电探测器的合理选择